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变频调速的电气制动方式及应用
摘要：随着变频器在各种生产机械的应用越来越多，根据实际情况选择经济有效的制动方法与制动功能是设计交流变频调速系统十分重要的环节，也是设备安全运行的重要保证。本文详细分析了变频调速的电气制动原理及制动电阻的选择计算，并对电气制动方式的不同种类及应用进行了详尽的介绍。
关键词：变频调速；电气制动；应用

1引言
随着电力电子技术和自动化技术的不断进步和发展，各类低压变频器的性能也越来越先进，应用范围越来越广泛。无论是在调速节能运行、提高生产效率、适应生产工艺要求、提高产品质量方面，还是在设备设计合理化和简单化、减少维护成本、改善和适应环境等方面都有了广泛的应用。在变频器应用中，在使运动的机构减速或者停止、势能负载的下落拖动、多级传动的同步控制及应对负载的突变或在设备出现事故需要紧急停车时，都需要应用到变频器的制动方式。根据实际情况选择经济有效的制动方法与制动功能不但是设计交流变频调速系统十分重要的环节。也是设备安全运行的重要保证。要对变频调速的制动方式进行合理的设置应用，就必须对变频调速制动控制的原理及应用范围足够的了解。
2变频调速的电气制动原理及分类
在通用变频调速系统中，当电动机减速或者拖动位能负载下降时，异步电动机将处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经异步电动机转化电能。这种工作状态下，电动机处于再生制动状态，这种制动方式被称为再生制动。在电动机处于再生发电制动状态时，逆变器的六个回馈二极管将产生的电能回馈到直流侧，此时的逆变器处于整流状态。如果在标准型的变频器（网侧变流器为不控的二极管整流桥）中不采取另外的措施，这部分能量将导致中间回路的储电电容器的电压上升。如果电动机的制动并不太快，电容器电压升高的值并不明显，一但电动机恢复到电动状态，这部分能量又会被负载重新利用。但在频繁制动或负载为提升较重重物负载下降时，电容器的电压升高就会过快过大，变频器内的保护装置就会动作，对变频器进行过压保护。
制动问题的实质在于机械能转换为电能，电能储存在变频器的中间环节电解电容中，制动方案就是如何保证中间环节电解电容的电压不超过变频器允许的范围。因此，解决制动问题的方法有二:一是改变系统控制策略，合理设置变频器参数，避免电机出现机械能转换为电能，从源头上消除能量的持续累积;二是将不断积累的能量通过系统内部交换或者一定的渠道泻放掉，即采用共用直流母线、能耗制动或者回馈制动等策略。
还有一种制动方式叫能耗制动，即再异步电动机定子通入直流电流，来达到机构准确停车或起动前制止电动机由外界因素引起的不规则旋转。还可用于消除驱动系统在转速接近于零时的“爬行”现象。
3电气制动方式的应用
⑴再生制动
再生制动主要发生在设备的稳速运行和减速过程中。在变频器应用中，对再生制动方式的选择应用主要目的是解决异步电动机处于再生发电运行状态时产生的能量问题。为了处理电动机的再生制动电能，一般大致可归类为两种处理方式：
耗散到直流回路中与电容器并联的“制动电阻”中。这种方式又叫动力制动（有的文章又叫能耗制动）。一般情况下，若系统制动转矩不大于电动机额定转矩的20%时，则不需要另外的制动电阻，仅电动机内部的有功损耗的作用就可以使中间直流回路电压限制在电压保护的水平之下。
在小功率的通用变频器，制动电阻内置于变频器内或直接外接于变频器对应端子。在制动功率较大的情况下，多数变频控制系统采用制动单元加制动电阻（或采用多个制动单元并联）的接线方式。制动单元就是在直流母线回路中加接一检测直流母线电压的IGBT管，一旦直流母线回路电压超过一定的界限，该晶体管导通，并将过剩的电能通过与之相连接的制动电阻器转化为热能耗。通过制动电阻耗散这部分能量后，使电动机的制动能力大幅提高，同时缩短了机械设备减速时间，提高了生产效率。动力制动控制方式简单，成本低，但节能效果不如回馈制动。
对于制动电阻的选择，包括制动电阻的阻值及容量可以按照下列式计算：

式中UC——直流回路电压（V）；
TB——制动转矩（N·m）；
TM——电动机额定转矩（N·m）；
n1——开始减速时速度（r/min）；
本式中0.2TM指电动机内部的有功损耗可以折合成制动转矩的部分。
由于受到制动晶体管最大允许电流IC的限制，制动电阻的最小允许值Rmin（Ω）为

式中UC为直流回路电压(V)。
因此，选用的直流制动电阻RB应按照Rmin＜RB＜RBO的关系来决定。
制动电阻平均消耗功率Pro的计算公式为：
（KW）
式中n1为减速开始速度(r/min)；n2为减速结束速度(r/min)。
制动电阻额定功率Pr的计算：
（KW）
式中m为电阻器的允许功率增加系数，其大小与制动电阻使用率有关。使用率越高，m值越小。二者的关系图可查阅相关资料。根据如上计算的RBO和Pr，可在市场上选用合乎要